7 T-Stück Messungen
7.6 Versuchsergebnisse und Diskussion
7.6.2 Untersuchungen an nichtidealen T-Stücken
Die Nachbildung des realen T-Stücks besteht aus mehreren Einzelteilen. Abbildung 31 gibt einen Überblick wie das T-Stück mit veränderbarer Eindringtiefe aufgebaut ist. Die Nachbil-dung besteht aus zwei Baugruppen. Der Oberteil ist für die Eindringtiefenverstellung des Ab-sorberrohrs (8x0,4mm) verantwortlich. Der Unterteil ist der passende Block für die Aufnahme des oberen Verstellteils. Er ist für jede Sammelrohrvariante (42x1,4, 28x1, 22x0,8, 18x0,7mm) einmal getrennt ausgeführt. Der Verstellmechanismus beruht auf einer spielfrei gelagerten Rändelmutter mit Gewindeteil und Gummidichtung.
Die Null-Position des Absorbe Sie wird über die Null-Stellvorr sung erreicht. Das Anpass Innenrohrdurchmesser und Nu 32). Die Drucksondenabstände an Empfehlungen (Aigner [49]
den. Die Abstände sind in Tabe ken wurden gerundet. Oberteil Nachbildung sind aus Messing Qualität und Härte original aus sowie das Flussmittel ist ebenf ben sind aus rostfreiem Stahl. D ser/Frostschutzgemisch bestän
Abbildung
Abbildung 32: Querschnitt der Sta 0 mm) in
sorberrohrs ist der wichtigste Ausgangspunkt vo ellvorrichtung an der Position des Absorberrohrs npassungsmaß wird um die Differenz zwi
Null-Stellvorrichtungsdurchmesser korrigiert tände für die Differenzdruckmessung am T-Stüc
[49]), bei der Vielfache der Rohrinnendurchmess Tabelle 13 und Tabelle 14 zusammengefasst. D berteil, Unterteil, Drucksonden und die Rändelmu ssing gefertigt. Die Rohre sind aus Kupfer und l aus der Kollektorfertigung. Das Lotmaterial (Wei ebenfalls jenes aus der Fertigungspraxis. Die Ve tahl. Die O-Ring-Dichtung ist bis 100 °C belastbar eständig.
dung 31: Bestandteile der T-Stück-Nachbildung.
r Startposition. Das Absorberrohr (8x0,4mm) steht 0 m ) in das Innere des Sammelrohrs (18x1) hinein.
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kt vor jeder Messung.
rohrs und einer zwischen Sammel-giert (siehe Abbildung
Stück orientieren sich messer festgelegt wer-sst. Die Rohrwandstär-delmutter der T-Stück-r und stammen in ihT-Stück-reT-Stück-r
l (Weichlot und Hartlot) ie Verbindungsschrau-astbar und für ein
Was-t 0 mm (EindringWas-tiefe =
K l i m a u n d E n e r g i e f o n d s d e s B u n d e s – A b w i c k l u n g d u r c h d i e Ö s t e r r e i c h i s c h e F o r s c h u n g s f ö r d e r u n g s g e s e l l -s c h a f t F F G
Seite 68 von 131 Tabelle 13: Abstände der Drucksonden am zweiteiligen Sammelrohr der T-Stück-Nachbildung nach
Hausner [52]. Gemessen von T-Stück-Mitte in Richtung der Anschlüsse. Maße in mm.
Sammelrohr Zulauf Sammelrohr Ablauf
Dimension ges. Länge Sonde 7xdi Ges. Länge Sonde 10xdi Sonde 20xdi
18x0,7 710 110 710 160 320
22x0,8 710 140 710 200 400
28x1,0 710 180 710 260 520
42x1,4 710 300 710 300 600
Tabelle 14: Abstände der Drucksonden am Absorberrohr der T-Stück-Nachbildung nach Hausner [52].
Gemessen vom Beginn des Absorberrohrs in Richtung Anschluss. Maße in mm.
Dimension Ges. Länge Sonde 7xdi Sonde 10xdi Sonde 20xdi
8x0,4mm 190 51 70 140
Messmatrix
Die Messmatrix in Tabelle 15 bestimmt das Messprogramm. Sie legt grundsätzlich den Rey-noldszahlenbereich, die Volumenstromverhältnisse und die Eindringtiefe für die T-Stück-Messreihen fest. Die Bereiche der Variationsfaktoren richten sich einerseits nach messtech-nischen Gesichtspunkten (möglicher Einstell- und Messbereich) und nach unbedingt not-wendigen Stützstellen der folgenden mehrdimensionalen Auswertemethode (siehe Kapitel 7.7) sowie nach der erforderlichen Messdauer der einzelnen Messreihen.
Tabelle 15: Messmatrix für die T-Stück-Messreihen, mit Reynoldszahlenbereich und Volumenstrom-verhältnissen.
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Ergebnisse
Insgesamt konnten im vorliegenden Projekt ParaSol 24.132 Einzel-Messpunkte zu zeta-Werten von T-Stücken aufgenommen werden, von denen 20.596 Messpunkte (85,4%) eine ausreichende Qualität (Abschätzung Maximalfehler) aufweisen und somit für die weiteren Auswertungen (siehe Kapitel 7.7) herangezogen wurden. Tabelle 16 zeigt einen Überblick über die variierten Messgrößen und die entsprechenden Messbereiche.
Insgesamt decken die in ParaSol durchgeführten experimentellen Untersuchungen zu zeta-Werten von T-Stücken den gesamten für die Solarthermie im Bereich Kollektoren und Kollek-torfelder relevanten Bereich ab. Auch zeta-Werte, die im Bereich nicht-gemessener Randbe-dingungen liegen, sind auf Basis der Ergebnisse von ParaSol berechenbar. Die entspre-chende Berechnungsmethode ist in Kapitel 7.7 detailliert beschrieben.
Tabelle 16: Überblick über die Messgrößen und Messbereiche, welche im Rahmen der experimentel-len Untersuchungen zu zeta-Werten von T-Stücken variiert wurden.
Sammler
(Außendurchmesser x Wandstärke) 18x0,7mm 22x0,8mm 28x1mm 42x1,4mm Sammler
(Innendurchmesser) 16,60mm 20,43mm 25,96mm 39,23mm
Absorber
(Außendurchmesser x Wandstärke) 8x0,4mm Absorber
(Innendurchmesser) 7,20mm
Eindringtiefen Absorberrohr 13 Werte: von -3mm bis +9mm in 1mm-Schritten Reynoldszahlen common etwa 15 Werte im Bereich von 250 bis 25.000
(je nach Messobjekt unterschiedliche Anzahl) Volumenstrom-Verhältnisse 10-19 Werte im Bereich von 0 bis 1
mit unterschiedlichen Schrittweiten Anzahl Messwerte 24.132 (gemessen)
20.596 (für die Auswertungen herangezogen)
Grafische Darstellung ausgewählter Ergebnisse
Die zeta-Werte und Reynoldszahlen in allen nachfolgend gezeigten Abbildungen beziehen sich auf den common-Zweig mit Volumenstrom QA. Nachfolgend wird eine Auswahl exempla-rischer Ergebnisse der durchgeführten Versuche gezeigt. Zeta-Wert-Funktionen aus der Re-ferenz-Literatur Idelchik [12], Miller [20] und VDI-Wärmeatlas [22] sind zum Vergleich in den Darstellungen enthalten. Das gefüllte gelbe Dreieck-Symbol steht für das scharfkantige T-Stück mit Eindringtiefe 0 mm. Die Druckverlust-Beiwerte für Abzweig (ζS,U) bzw. Durchgang (ζS,UV) sind jeweils über verschiedene Volumenstromverhältnisse zwischen Absorber- und Sammlerrohr (VU⁄VS) aufgetragen. Parallelverschoben dazu liegen die Ergebnisse für T-Stücke mit negativer bzw. positiver Eindringtiefe.
K l i m a - u n d E n e r g i e f o n d s d e s B u n d e s s c h a f t F F G
Abbildung 33: Druckverlust-Beiwe berrohr in Abhängigkeit der Eindri
Abbildung 34: Druckverlust-Beiwe sorberrohr in Abhängigkeit der Ei
n d e s – A b w i c k l u n g d u r c h d i e Ö s t e r r e i c h i s c h e F o r s c h u n g s f
eiwerte des T-Stück-Abzweigs mit 18 mm Sammelroh indringtiefe und des Volumenstromverhältnisses für e
bei Reynoldszahl Red = 3500.
eiwerte des T-Stück-Durchgangs mit 18 mm Samme er Eindringtiefe und des Volumenstromverhältnisses
nung bei Reynoldszahl Red = 1500.
n g s f ö r d e r u n g s g e s e l l
-Seite 70 von 131 elrohr und 8 mm
Absor-für eine Stromtrennung
melrohr und 8 mm Ab-ses für eine
Stromtren-Abbildung 35: Druckverlust-Beiwe berrohr in Abhängigkeit der Eindri
Abbildung 36: Druckverlust-Beiwe sorberrohr in Abhängigkeit der Ein
eiwerte des T-Stück-Abzweigs mit 22 mm Sammelroh indringtiefe und des Volumenstromverhältnisses für e
bei Reynoldszahl Red > 10000.
eiwerte des T-Stück-Durchgangs mit 22 mm Samme r Eindringtiefe und des Volumenstromverhältnisses f
nigung bei Reynoldszahl Red > 7000.
Seite 71 von 131 elrohr und 8 mm
Absor-für eine Stromtrennung
melrohr und 8 mm Ab-es für eine
Stromverei-K l i m a - u n d E n e r g i e f o n d s d e s B u n d e s s c h a f t F F G
Abbildung 37: Druckverlust-Beiwe berrohr in Abhängigkeit der Eindri
Abbildung 38: Druckverlust-Beiwe sorberrohr in Abhängigkeit der Ei
n d e s – A b w i c k l u n g d u r c h d i e Ö s t e r r e i c h i s c h e F o r s c h u n g s f
eiwerte des T-Stück-Abzweigs mit 28 mm Sammelroh indringtiefe und des Volumenstromverhältnisses für e
bei Reynoldszahl Red = 500.
eiwerte des T-Stück-Durchgangs mit 28 mm Samme er Eindringtiefe und des Volumenstromverhältnisses
nung bei Reynoldszahl Red = 7000.
n g s f ö r d e r u n g s g e s e l l
-Seite 72 von 131 elrohr und 8 mm
Absor-für eine Stromtrennung
melrohr und 8 mm Ab-ses für eine
Stromtren-Seite 73 von 131
Diskussion
• Bei einem Vergleich der geplotteten Druckverlustbeiwert-Verläufe, die theoretischen Modellen aus der Literatur (Idelchik [12], Miller [20], VDI-Wärmeatlas [22]) entnommen wurden, fällt auf, dass sich erhebliche Abweichungen im Bereich von bis rund 100% zeigen. Dabei sind die in ParaSol bei niedrigen Reynoldszahlen gemes-senen zeta-Werte durchwegs höher als die zeta-Werte gem. Literatur. Dieser Effekt war zu erwarten, weist doch auch die Fachliteratur (z.B. Idelchik [12, Ch. 4]) auf die Vermutung hin, dass T-Stück zeta-Werte bei niedrigen Reynoldszahlen wohl höher sind als bei vollturbulenter Strömung. Während bisher unsichere Korrekturfaktoren für kleine zeta-Werte verwendet werden mussten, stehen mit ParaSol nun erstmals gesi-cherte Messwerte zur Verfügung.
• Messungen bei niedrigen Reynoldszahlen weisen somit durchgängig höhere zeta-Werte als die hier oben genannten theoretischen Modellen aus der Literatur auf (sie-he z.B. Abbildung 37). Zu den zeta-Werten aus den genannten t(sie-heoretisc(sie-hen Model-len aus der Literatur ist zu sagen, dass sämtliche dieser Modelle nur für vollturbuModel-lente Strömungen (Re > 2*10^5) gelten, wie bereits in Kapitel 5.2.1 angemerkt.
• Bei allen Messreihen ist klar ein deutlicher Einfluss der Eindringtiefe auf die Druckver-lust-Beiwerte erkennbar. Vor allem der Durchgangs-zeta-Wert hat eine große Abhän-gigkeit von der Eindringtiefe (vgl. Abbildung 34, Abbildung 36 und Abbildung 38).
• Je kleiner das Flächenverhältnis Absorber zu Sammler (As/Ac), desto weniger Auswir-kung hat die Eindringtiefe auf den zeta-Wert des Abzweigs. Negative Eindringtiefen scheinen einen ähnlichen Effekt aufzuweisen, wie T-Stücke mit gerundeten Übergän-gen im Abzweigpunkt. Sie vermindern den zeta-Wert geÜbergän-genüber einer scharfkantiÜbergän-gen Abzweigstelle.
• Im Rahmen des Projekts ParaSol wurden auch Vergleiche mit zeta-Wert-Ergebnissen aus CFD-Berechnungen in Fluent mit der exakt gleichen Geometrie angestellt [55].
Die Ergebnisse dieses Vergleichs sind durchaus zufriedenstellend; eine detaillierte Beschreibung würde allerdings den Rahmen dieses Berichts sprengen.